-
Meß schneide für Erdbewegungsmaschinen
-
Die Erfindung betrifft eine Meßschneide zur Ermittlung von an der
Schneidkante von Erdbewegungsmaschinen auftretenden Kräften nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
-
Für die Dimensionierung der Antriebe von Erdbewegungsmaschinen sowie
deren Graborgane ist es von Wichtigkeit, die an den Schneiden auftretenden Kräfte
zu kennen.
-
Dies trifft im besonderem Maße für Schaufelradbagger zu, die bisher
nur zum Abbau von verhältnismäßig weichen Böden eingesetzt werden. Wegen der wirtschaftlichen
Vorteile der kontinuierlichen Arbeitsweise besteht jedoch der Wunsch, Schaufelradbagger
auch zum Abbau von härteren Böden einzusetzen. Um folgenschwere Planungen und Fehlinvestitionen
zu vermeiden, ist es notwendig, die beim Abbau an der Schneide der Graborgane auftretenden
Kräfte zu kennen.
-
Aus der DE-PS 30 23 729 ist eine am Graborgan von Erdbewegungsmaschinen
anbaubare Meßschneide bekannt, die einen keilförmigen Schneidenbereich und einen
sich daran anschließenden hinteren Bereich mit prallelen Außenflächen aufweist.
An den Seiten befinden sich zwei durch mittige Aussparungen gebildete Stege, an
deren neutralen Fasern Dehnungsmeßstreifen angeordnet sind. Der senkrechte Querschnitt
durch diese Stege soll dabei hoch und möglichst schmal sein. Die auf die Schneidkante
einwirkenden Kräfte werden ausschließlich über diese Stege auf den hinteren Bereich
der Meßschneide übertragen.
-
Mit den bekannten Meßschneiden läßt sich jedoch ausschließlich die
in der Hauptquerebene gelegene und senkrecht zur Schneidkante ausgerichtete Komponente
der Summe der an die Schneidkante angreifenden Kräfte erfassen. Unter der Hauptquerebene
wird dabei die durch die Schneidkante gehende Ebene verstanden, die parallel zu
der oberen und unteren Außenfläche verläuft.
-
Außerdem ergibt sich beider bekannten Meßschneide der Nachteil, daß
die beim Schneiden bzw. Graben entstehende Temperaturerhöhung der Meßschneide eine
zusätzliche Dehnung der seitlichen Teilbereiche hervorruft, so d:die Dehnung nicht
mehr exakt als Maß für die einwirkende Kraft gewertet werden kann und somit eine
Meßverfläschung eintritt. Darüber hinaus besteht bei der bekannten Meßschneide die
nachteilige Möglichkeit, das Steinbrocken in die Ausnehmungen eindringen und durch
eine Verspannung zu einer Verfläschung des Meßergebnisses führen. Bei dem Versuch,
die Aussparungen durch metallische Abdeckplatten abzuschirmen, ist nicht auszuschließen,
daß ein die Messung verfläschender Kraftverlauf auch über die Abdeckplatten stattfindet.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Meßschneide so zu gestalten,
daß außer der in der Hauptquerebene und senkrecht zur Schneidkante verlaufenden
Komponente auch die senkrecht zur Hauptquerenbene verlaufende Komponente der an
der Schneide angreifenden Kräfte erfaßt werden kann. Außerdem sollen der Temperatureinfluß
und mechanische Störeinflüsse bei der Kraftmessung ausgeschaltet werden.
-
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale
gelöst. Durch die Auflösung der lediglich an der Seite verbleibenden Materialverbindung
von dem Schneidenbereich zu dem hinteren Bereich in
einen oberen
und einen unteren Teilbereich oder Steg entstehen die bei einer vertikal auf die
Schneide einwirkende Andruckkraft unterschiedliche Dehnungen.
-
So ergibt sich bei einer Andruckkraft von unten im oberen Steg eine
Stauchung und im unteren Steg eine Dehnung. Da jedem Steg ein eigener Dehnungsmeßstreifen
zugeordnet ist, können die durch die Andruckkraft hervorgerufenen unterschiedlichen
Dehnungen bzw.
-
Stauchungen erfaßt und dadurch die Andruckkraft ermittelt werden.
Zu diesem Zweck werden die Ausgänge der Dehnungsmeßstreifen derart geschaltet, daß
das Signal der oberen Dehnungsmeßstreifen von dem des unteren Dehnungmeßstreifens
subtrahiert wird. Dagegen werden die Ausgänge der Dehnungsmeßstreifen zur Messung
der Summe der auf die Schneide wirkenden Längskräfte additiv geschaltet. Soweit
eine in etwa gleichmäßige Lastverteilung angeommen werden kann, ist es auch möglich,
aus den Signalen der Dehnungsmeßstreifen der linken Seite die Längskraft und aus
den Signalen der Dehnungsmeßstreifen der rechten Seite der Meßschneide die Andruckkraft
gleichzeitig zu ermitteln.
-
Wenn die Schneidkante der seitlichen Wange einer oder mehrerer Schaufeln
eines Schaufelrades mit der erfindungsgemäßen Meßschneide versehen wird, ist es
auch möglich, die Seitenkraft, d.h. die seitlich auf die Schaufel aufgebrachte Andruckkraft
zu ermitteln.
-
Die Anordnung der Dehnungsmeßstreifen auf der Innenseite der Stege
gewährt ihnen einen guten Schutz gegen äußere Einwirkungen.
-
Gute Meßergebisse hinsichtlich der Messung einer vertikalen Andruckkraft
ergeben sich, wennn die Meßschneide in vertikaler Richtung weich ausgeführt ist,
d.h. wenn die
Stege eine geringe Höhe aufweisen. Um die Meßschneiden
dennoch, insbesondere in Querrichtung, ausreichend zu bemessen, ist es vorgesehen,
die Breite der Stege größer zu wählen als deren Höhe, wobei die Breite bei einer
Ausbildung nach Anspruch 2 das 1,5 bis Sfache der Höhe beträgt.
-
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den weiteren Unteransprüchen
beschrieben. So ist es mit der parallel zur Schneidkante ausgerichteten Anordnung
von jeweils einem weiteren Dehnmeßstreifen nach Anspruch 3 möglich, die Querkontraktion
der Stege mit in die Messung einzubeziehen und so das Meßergebnis zu verbessern.
-
Um den EinfluB der Temperatur, zumindest solcher Temperaturen, die
oberhalb des Linearitätsbereichs der Dehnungsmeßstreifen liegen, auf das Ergebnis
der Kraftmessung zu eliminieren, wird nach Anspruch 4 vorgeschlagen, die Meßschneide
mit Temperaturfühlern zu versehen.
-
Bei einer Ausbildung der Meßschneide nach Anspruch .5 ergibt sich
eine einfacher Herstellung der Stege bei eindeutigem Kraftfluß in der Meßschneide.
-
Durch das Ausfüllen der Ausnehmung der Meßschneide nach Anspruch 6
wird schließlich in einfacher Weise erreicht, daß sich in die Ausnehmung kein Stein
einklemmen kann, der das Meßergebnis verfläschen würde.
-
Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstands der Erfindung ist in der Zeichnung
dargestellt und wird im folgenden näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 die Schaufel
eines Schaufelrades mit zwei Meßschneiden in perspektivischer Darstellung,
Fig.
2 eine Meßschneide in einer teilweise geschnittenen Draufsicht, Fig. 3 die Meßschneide
in einer Seitenansicht, Fig. 4 die Meßschneide in einem Querschnitt längs der Linie
IV-IV in Fig. 3 und Fig. 5 eine Brückenschaltung in allgemeiner Form.
-
Die Schaufel 1 eines in Fig. 1 nur andeutungsweise dargestellten Schaufelrades
2 ist rechts und links an der unteren Grab- oder Schneidkante mit je einer Schneidleiste
bzw. einem Schneidmesser 4 bestückt.
-
Zwischen den beiden Schneidmessern 4 ist eine Meßschneide 5 angeordnet,
die das gleiche Profil wie die Schneidmesser 4 aufweist.
-
Ebenso weist die Schneidkante der einen Seitenwange 7 der Schaufel
1 am äußersten und innersten Ende je ein Schneidmesser 4 auf, zwischen denen wiederum
eine Meßschneide 5' angeordnet ist. Die Meßschneiden 5 und 5' sind in ihrem Aufbau
identisch. Deshalb wird im folgenden der Einfachheit halber im allgemeinen nur das
Bezugszeichen 5 für die Meßschneiden verwendet.
-
Zur eindeutigen Bezeichnung wird die eigentliche Schneidkante 11 sowohl
bei den Schneidmessern 4 als auch bei den Meßschneiden 5 als "vorne" liegend verstanden
und der von der Schneidkante abgewandte Bereich 12 entsprechend als "hinten" angeordnet
angesehen. Folglich ist ein senkrecht zur Schneidkante 11 gelegter Schnitt ein "Längsschnitt"
und ein parallel zur Schneidkante gelegter Schnitt ein "Ouerschnitt". Dabei ist
der Längsschnitt der Meßschneiden 5 hinsichtlich der Umfangsbegrenzung identisch
mit dem Längsschnitt der festen Schneidenmesser 4.
-
Jede Meßschneide 5 weist einen von der Schneidkante 11 ausgehenden
keilförmigen Schneidenbereich 13 auf, der im Längsschnitt die Form eines gleichschenkligen
Dreiecks aufweist, wobei der von den Schenkeln eingeschlossene spitze Winkel ß den
Keilwinkel oder Schneidenwinkel darstellt. An den Schneidenbereich 13 schließt sich
der hintere planparallele plattenförmige Teilbereich 12 mit rechteckigem Längsschnitt
an.
-
Zur Befestigung an der Schaufel 1 ist an dem hinteren Ende der Meßschneide
5 eine in Querrichtung verlaufende Lochreihe mit einzelnen Bohrungen 15 vorgesehen.
Dazu kann die zur Auflage an die Schaufel 1 bestimmte Unterseite 16 der Meßschneide
5 mit einer an sich bekannten Nut 17 versehen sein, um die Meßschneide 5 an einer
(nicht dargestellten) entsprechend ausgebildeten Stützleiste der Schaufel 1 zu halten.
In Höhe der Bohrungen 15 weist die Meßschneide 5 abgeschrägte Seitenflächen 19 auf.
-
In der Meßschneide 5 ist in dem hinteren planparallelen Bereich 12
eine die ganze Höhe H der Meßschneide 5 erfassende Ausnehmung 20 angeordnet. Diese
Ausnehmung oder Aussparung 20 weist einen in Querrichtung verlaufenden Schlitz 21
mit parallelen Innenflächen 22, 23 auf. An den Enden des Schlitzes 21 nimmt die
Ausnehmung 20 mit Endabschnitten 24 einen quer dazu gerichteten Verlauf, so daß
die Ausnehmung insgesamt I-förmig ("Doppel-T-förmig") ausgebildet ist. Zur Vermeidung
von Spannungsspitzen sind die Endabschnitte 24 der Ausnehmung 20 rund ausgebildet.
Die ganze Ausnehmung 20 ist mit * nicht kraftübersragendem Silikonkautschuk ausgefüllt.
-
* - im Verhältnis zu Stahl -
Die Meßschneide 5 ist
von den Seiten her angebohrt, und zwar liegen die Achsen der Bohrungen 25 in der
durch die Mitte des Schlitzes 21 gegebenen senkrechten Querschnittsebene und außerdem
mittig zwischen der Unter- und Oberseite 16 bzw. 26 der Meßschneide 5.
-
Die Bohrungen 25 mit dem Durchmesser d reichen bis in die in Längsrichtung
verlaufenden Endabschnitte 24 der Ausnehmung 20. Zu den Seiten hin sind die Bohrungen
25 durch eine zylindrische Erweiterung 27, deren Durchmesser möglichst nah an die
Höhe H der Meßleiste herankommt, begrenzt. Die Erweiterung 27 kann zur Aufnahme
eines entsprechenden Deckels dienen.
-
Die einzige kraftübertragende materielle Verbindung zwischen dem Schneidenbereich
13 und dem hinteren Bereich 12 der Meßschneide 13 und dem hinteren Bereich 12 der
Meßschneide wird somit durch vier Stege 30 gebildet, die jeweils durch die Ober-
und Unterseite 26 bzw. 16 der Meßschneide 5 und der Bohrung 25 begrenzt werden und
jeweils einen Querschnitt A von A = h- b aufweisen, wobei h = (H - d)/2 ist und
b die Breite bzw. Tiefe der Bohrungen 25 zwischen dem jeweiligen Endabschnitt 24
der Ausnehmung 20 und der Seitenfläche 31 der Meßschneide 5 bedeutet.
-
Die Stege 30 weisen somit unter Vernachlässigung der zwischen der
zylindrischen Erweiterung 27 und der Ober- bzw. Unterseite 26 bzw. 16 liegenden
Flächenstücke die oben definierten Flächen A auf, die eine eindeutige Zuordnung
zwischen Kräften und Dehnungen erlauben.
-
In der Mitte der Stege 30 ist jeweils an der durch die Bohrungen 25
gegebenen Innenfläche ein in Längsrichtung ausgerichteter Dehnungsstreifen Mi, M2,
M3 bzw. M4 angebracht, wobei - in Längsrichtung von hinten auf die Schneidkante
1i gesehen - die Dehnungsmeß-
streifen wie folgt verteilt sind:
Mi - links oben M2 - links unten M3 - rechts oben M4 - rechts unten.
-
Außerdem ist in jeder Bohrung 25 ein Temperaturmeßfühler 32 angeordnet.
Die von den Dehnungsmeßstreifen M1 usw. bzw. den Temperaturmeßfühlern 32 zu den
(nicht dargestelltefl Registriereinrichtungen führenden Kabel werden durch Kanäle
3.3 geführt, die parallel zu den abgeschrägten Seitenflächen 19 innerhalb der Meßschneide
5 verlaufen.
-
Zur Ermittlung einer auf die Meßschneide 5 einwirkenden Längskraft
FL, die die Summe aller auf die Schneide 11 einwirkenden Längskräfte darstellt,
oder einer entsprechender Kraftkomponente werden die Meßsignale der jeweils in einer
Bohrung 25 befindlichen, in Längsrichtung ausgerichteten Dehnungsmeßstreifen M1,
M2 bzw.
-
M3, M4 (im folgenden auch nur als "Dehnmeßstreifen oder "DMS" bezeichnet)
durch eine Wheatstonesie Brückenschaltung gemäß Fig. 5 addiert, wobei in diesem
Fall die Widerstände R1 und R3 durch die Dehnmeßstreifen M1 und M2 bzw. M3 und M4
und die Widerstände R2 und R4 jeweils durch einen festen gleich großen Widerstand
der Meßeinrichtung gebildet werden. Die derart addierten Meß- oder Ausgangssignale
jeder Seite können noch einmal mit denen der anderen Seite zusammengefaßt werden,
was insbesondere bei unsymmetrischer Last empfehlenswert ist.
-
Eine etwa vertikal angreifende Andruckkraft FV bzw.
-
eine entsprechende Kraftkomponente ruft in den Stegen 30 einer Seite
gleiche Stauchungen und Dehnungen hervor.
-
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Lastfall beträgt die Dehnung 1 des
Dehnmeßstreifens Ml E1 = - £V und die Dehnung 2 des Dehnmeßstreifens M2 2 = -eL
+ #V t wobei die Indizes L und V auf die Verursachung durch FL bzw. FV hinweisen.
Das durch die Brückenschaltung erfaßte Meßsignal beträgt UA = (k/4)(#1 + E2 ) .
UE Dabei bedeutet k den Proportionalitätsfaktor der Dehnungsmeßstreifen und UE die
Eingangsspannung.
-
Durch die Addition der Dehnungen 1 und 62 wird deren durch die Andruck--
oder Vertikalkraft FV hervorgerufene Anteil - #V bzw. + #V eliminiert.
-
Das heißt die Vertikalkraft FV geht bei der Ermittlung der Längskraft
FL nicht ein bzw. ist unabhängig von einer etwa vorhandenen Vertikalkraft.
-
Zur Ermittlung der vertikalen andruckkraft FV bzw.
-
einer entsprechenden Kraftkomponente werden die Dehnmeßstreifen M1
bis M4 so geschaltet, daß jeweils die Differenz der Signale der Dehnmeßstreifen
jeder Seite M1, M2 bzw. M3 M4 als entsprechende Meßgröße herangezogen wird. Dies
geschieht wieder mit Hilfe einer Brückenschaltung nach Fig. 5, wobei hier jedoch
die Widerstände Ri und R2 durch je einen gleich großen festen Widerstand in der
Meßeinrichtung und die Widerstände R3 und R4 durch die Dehnmeßstreifen Ml und M2
bzw. M3 und M4 gebildet werden. Das Meßsignal UA ist in diesem Fall UA = (k/4) (#1
- # 2 ) UE wobei sich die Indizes der Dehnungen wieder auf die Dehnmeßstreifen M1,
M2 beziehen.
-
Bei der Differenzbildung ( 1 = (-#L, ( EL EV) ( EL EV) V fällt der
durch die Längskraft FL verursachte Anteil # L weg. Bei der Ermittlung der Andruckkraft
FV oder einer entsprechenden Kraftkomponente geht somit der Einfluß einer etwaigen
Längs- oder Normalkraft FL nicht ein, d.h. die Ermittlung der Andruckkraft FV ist
unabhängig von einer etwa vorhandenen Längskraft.
-
Bei unsymmetrischer Lastverteilung ist es vorteilhaft, die Differenzen
beider Seiten zur Bildung der Meßgröße heranzuziehen. Dies kann z.B. dadurch geschehen,
daß die Widerstände R1, R2, R3, R4 durch die Dehnmeßstreifen mit dem gleichen Index,
also M1, M2, M3, M4 gebildet werden.
-
In Weiterbildung des beschriebenen Ausführungsbeispiels sind oben
und unten in den Bohrungen 25 in Querrichtung d.h. in Richtung des Schlitzes 21
ausgerichtete Dehnungsmeßstreifen Mii, M12 (links) und M13, M14(rechts) angebracht,
mit denen die Querdehnung oder Querkontraktion der Stege 30 erfaßt werden kann.
-
Zur Messung der Längskraft FL bzw. der Längskomponente einer Kraft
werden die DMS jeweils einer Seite der Meßschneide 5 wie folgt in die Brückenschaltung
gemäß Fig. 5 eingefügt: an die Stelle von entweder oder R1 M1 M3 R2 M11 M13 R3 M2
M4 R4 M12 M14
Das Meßsignal UA der Brückenschaltung ergibt sich
in der Abhängigkeit der von den DMS gemessenen Dehnungen e zu UA = (k/4) (#1 11
+E2 Ei2)UE wobei die Indizes der Dehnungen wieder denen der DMS entsprechen.
-
Für den in Fig. 3 dargestellten Belastungsfall ergeben sich folgende
Dehnungen: Längsdehnungen: #1 = ~ EL V e = ~ £L + 2 L V Querdehnungen: 11 = # .
# L + ## V 12 = # . #L - # . # V wobei # die dem Werkstoff der Meßschneide 5 eigene
Querzahl oder Querkontraktionskoeffizient bedeutet (bei Stahl: %< = 0,3). Für
das Meßsignal UAergibt sich mit diesen Dehnungen UA = - (k/4) 2 #L (1 + #). UE Auch
in diesem Fall wird der durch die Kraft FV bedingte Anteil EV der Dehnungen eliminiert,
so daß die Ermittlung der Längskraft FL auch hier unabhängig von einer etwaigen
Vertikalkraft FV ist. Gegenüber der Messung lediglich mit den Dehnmeßstreifen M1
und M2 ergibt sich durch die Verwendung der zusätzlichen Dehnmeßstreifen Mii und
M12 ein um den Faktor # besseres Meßergebnis.
-
Bei der Ermittlung der Vertikalkraft FV bzw. eines dadurch hervorgerufenen
Moments werden die DMS jeweils einer Seite wie folgt in die Brücken schaltung gemäß
Fig. 5 eingesetzt: an die Stelle von entweder oder R1 Mi M3 R2 M2 M4 R3 M12 M14
R4 M11 M13 Analog zu der zuvor beschriebenen Messung erhält man in diesem Fall als
Meßsignal UA = - (k/4) 2 (1 #V (1 + #) Da der Einfluß des durch die Längskomponente
FL hervorgerufenen Anteils e L bei der Messung kompensiert wird, ist die Ermittlung
der Vertikalkraft FV wieder unabhängig von einer etwa auftretenden Längskraft FL.
-
Mit Hilfe der an jeder Seite je zwei in Längs- und Querrichtung angeordneten
Dehnmeßstreifen Mi, Mii, M2, M12 bzw. M3, Mi3, M4, M14 ist es über die Brückenschaltung
gemäß Fig. 5 auch möglich, den Einfluß der durch Temperatur bedingten Wärmedehnung
sW zu kompensieren bzw. auszuschalten. Dies wird anhand des bereits oben angeführten
Meßsignals UA = (k/4) ( E E1- +E 2 £2 #12) UE erläutert. Jeder Steg 30 erfährt sowohl
in Längs- als auch in Querrichtung die gleiche Wärmedehnung sW die bei einer Temperaturerhöhuna
einheitlich positiv ist. Durch die wechselnden Vorzeichen in der Formel des Meßsignals
heben sich die Anteile EW gegenseitig
auf und gehen somit nicht
in das Meßsignal ein.
-
Bei höheren Temperaturen, wie sie beim Graben in harten Böden in der
Meßschneide 5 entstehen können, läßt sich der Temperatureinfluß anhand der mit dem
Temperaturfühler 32 ermittelten Temperatur recherisch kompensieren.
-
Die zum Auswerten der gewonnenen Meßgrößen vorgesehene Einrichtung
ist außerhalb des Graborgans auf der Erdbewegungsmaschine untergebracht, wo eine
Änderung der Schaltung zur Summen- oder Differenzbildung der Signale der Dehnungsmeßstreifen
schnell und leicht vorgenommen werden kann. Bei genügend gleichmäßiger Verteilung
der Kräfte kann bei der Einrichtung zum Auswerten der Meßgrößen auf einem Kanal
die Längskraft FL aus den Signalen der Dehnungsmeßstreifen der einen Seite der Meßschneide
5 und auf einem anderen Kanal die vertikale Andruckkraft FV aus den Signalen der
Dehnungsmeßstreifen der anderen Seite der Meßschneide 5 gleichzeitig ermittelt werden.
Auf zwei weiteren Kanälen können ferner die an der Schneidkante der Schaufelwange
7 angreifende Andruckkraft FV - die bei einem Schaufelradgerät der Seitenkraft entspricht
-ermittelt werden.
-
Die Dehnungsmeßstreifen erlauben eine verzögerungsfreie Ermittlung
des zeitlichen Verlaufs der auf die Meßschneide 5 ausgeübten Kräfte bzw. die längenbezogenen
oder spezifischen Kräfte (in z.B. kN/cm). Dabei erhält man die insgesamt auf die
Schaufel einwirkende Kraft - gleichmäßige Lastverteilung vorausgesetzt - durch Multiplikation
mit dem Verhältnis Gesamtbreite der Schaufel 1/Breite der Meßschneide 5.
-
Die Dehnungsmeßstreifen können sowohl beim tatsächlichen Betrieb einer
Erdbewegungsmaschine als auch bei simulierten Grabarbeiten zur Bestimmung optimaler
Formgebung von Eimern und Schneiden, Reißzahnformen und optimalen Spanformen verwendet
werden.
-
In Abwandlung des beschriebenen Ausführungsbeispiels können die Meßschneiden
5 auch an den Graborganen von Löffelbaggern, Motorscrapern usw. eingesetzt werden.
-
- Leerseite -